碳碳复合材料ppt课件

/碳复合材料碳复合材料（Carbon-Carbon Composites）碳碳复合材料/碳复合材料碳碳复合材料1主要内容主要内容一、一、碳碳/碳复合材料简介碳复合材料简介二、碳二、碳/碳复合材料性能碳复合材料性能三、碳三、碳/碳复合材料应用碳复合材料应用 四、碳四、碳/碳复合材料制备工艺碳复合材料制备工艺五、碳五、碳/碳复合材料组织及界面碳复合材料组织及界面六、碳六、碳/碳复合材料抗氧化性能碳复合材料抗氧化性能七、气相碳化在新能源中的应用七、气相碳化在新能源中的应用碳碳复合材料主要内容一、碳/碳复合材料简介碳碳复合材料2一、碳一、碳/碳复合材料简介碳复合材料简介碳碳/碳复合材料（碳复合材料（C/C）是复合材料大家族中的重要一员。）是复合材料大家族中的重要一员。非常值得一提的是，非常值得一提的是，C/C的发现是带有偶然性的。的发现是带有偶然性的。1958年美国一家航空公司研究所在进行年美国一家航空公司研究所在进行Cf增强树脂基复合材料增强树脂基复合材料实验时，意外之中将树脂碳化，得到一种碳材料。研究人实验时，意外之中将树脂碳化，得到一种碳材料。研究人员未进行处理，而是当作一种新材料员未进行处理，而是当作一种新材料Cf/C进行研究，并进行研究，并开发出一系列开发出一系列C/C复合材料。复合材料。C/C复合材料出现后，很快得到重视，并应用到宇航、复合材料出现后，很快得到重视，并应用到宇航、火箭、导弹、航空等高技术领域，并在其它领域也开始得火箭、导弹、航空等高技术领域，并在其它领域也开始得到应用。到应用。碳碳复合材料一、碳/碳复合材料简介碳/碳复合材料（C/C）是复合材料大家3C/C是由Cf或Cf制品（布、毡、织物）增强碳基体的碳基复合材料。C/C组成元素只有C，因而具有碳材料(包括石墨)的优点：密度低；高的导热性；低的热膨胀系数(CTE)(CTE)；超高温力学性能；对热冲击不敏感等但C材料最大的弱点是易氧化，一般在375以上就开始有明显的氧化现象。所以C/C在高温下使用必须经过抗氧化处理。碳碳复合材料C/C是由Cf或Cf制品（布、毡、织物）增强碳基体的碳基复合4碳碳/碳复合材料首先是由碳纤维制成多孔隙的预制体，碳复合材料首先是由碳纤维制成多孔隙的预制体，然后采用浸渍树脂（或沥青）炭化，或者采用化学气相沉然后采用浸渍树脂（或沥青）炭化，或者采用化学气相沉积积/渗透（渗透（CVD/CVI）的方式将多孔预制体中孔隙填充而）的方式将多孔预制体中孔隙填充而获得的。获得的。根据实际应用构件的形状和使用要求，设计预制体的根据实际应用构件的形状和使用要求，设计预制体的构成，可以得到不同结构的碳构成，可以得到不同结构的碳/碳复合材料。例如二维、碳复合材料。例如二维、三维（三维正交，三维编织）等碳三维（三维正交，三维编织）等碳/碳复合材料构件。碳复合材料构件。将碳将碳/碳复合材料表面形成碳复合材料表面形成SiC，可以获得一种梯度，可以获得一种梯度“陶瓷碳陶瓷碳/碳复合材料碳复合材料”。碳碳复合材料碳/碳复合材料首先是由碳纤维制成多孔隙的预制体，然后采用浸渍5二、碳二、碳/碳复合材料性能碳复合材料性能1、力学性能、力学性能常温性能常温性能高性能单向增强和正交增强高性能单向增强和正交增强C/C的性能的性能典型三维正交典型三维正交C/C的性能的性能碳碳复合材料二、碳/碳复合材料性能1、力学性能常温性能高性能单向增强61、力学性能、力学性能高温性能高温性能在在非氧化性非氧化性气氛中，碳气氛中，碳/碳复合材料可以在碳复合材料可以在2800下仍然保持其强度，这是所有结构材料（金属、陶瓷）下仍然保持其强度，这是所有结构材料（金属、陶瓷）无法做到的。而且，高温下，碳无法做到的。而且，高温下，碳/碳复合材料的强度甚碳复合材料的强度甚至还有所提高。至还有所提高。碳碳复合材料1、力学性能高温性能在非氧化性气氛中，碳/碳复合材料可以7碳碳复合材料碳碳复合材料81、力学性能、力学性能与碳材料的对比与碳材料的对比C/C复合材料的力学性能在室温和高温下都明显高于复合材料的力学性能在室温和高温下都明显高于基体的碳材料。基体的碳材料。碳碳复合材料1、力学性能与碳材料的对比C/C复合材料的力学性能在室温92、摩擦性能、摩擦性能 碳碳/碳的高温摩擦性能稳定；刹车时吸收动能高，能碳的高温摩擦性能稳定；刹车时吸收动能高，能显著提高飞机制动性能；密度低，并能显著减轻飞机刹显著提高飞机制动性能；密度低，并能显著减轻飞机刹车装置的重量。车装置的重量。摩擦系数：摩擦系数：0.2-0.3 高温下稳定。飞机制动过程中，刹车盘整体温度达高温下稳定。飞机制动过程中，刹车盘整体温度达500，而表面最，而表面最高温度可达高温度可达1500以上。以上。动能吸收动能吸收:820-1050kJ/kg 过去采用钢过去采用钢/金属陶瓷刹车盘，动能吸收为金属陶瓷刹车盘，动能吸收为300-500kJ/kg，飞机起落次数：飞机起落次数：1500-3000次次 钢钢/金属陶瓷刹车盘仅金属陶瓷刹车盘仅800-1000架次架次飞机刹车装置减重飞机刹车装置减重 Boeing-747，减重，减重635kg；A-320减重减重550kg碳碳复合材料2、摩擦性能碳/碳的高温摩擦性能稳定；刹车时吸收10碳碳复合材料碳碳复合材料11三、碳三、碳/碳复合材料的应用碳复合材料的应用（1）摩擦与减磨材料）摩擦与减磨材料（2）烧蚀材料）烧蚀材料（3）隔热、导热材料）隔热、导热材料（4）热结构材料）热结构材料（5）生物材料）生物材料碳碳复合材料三、碳/碳复合材料的应用（1）摩擦与减磨材料碳碳复合材料12飞机刹车盘(1)摩擦与减摩材料碳碳复合材料飞机刹车盘(1)摩擦与减摩材料碳碳复合材料13刹车部件需满足以下设计条件：刹车部件需满足以下设计条件：刹车片材料的要求：刹车片材料的要求：碳碳复合材料刹车部件需满足以下设计条件：刹车片材料的要求：碳碳复合材料14Carbon/carbon brake used on the Boeing 767 airplane碳碳复合材料Carbon/carbonbrakeusedonth15战车、高速列车、汽车用刹车片碳碳复合材料战车、高速列车、汽车用刹车片碳碳复合材料16密封材料电刷材料碳碳复合材料密封材料电刷材料碳碳复合材料17(2)(2)烧蚀材料烧蚀材料喷管结构简化，部件数量减少30%以上，极大地提高喷管的可靠性C/C喷管轻质，大幅度减轻喷管结构质量，可减重3050%固体火箭发动机喷管碳碳复合材料(2)烧蚀材料喷管结构简化，部件数量减少30%以上，极大地提18C/C复合材料轻质、耐高温、稳定性和可靠性高导弹、航天飞机头锥和翼缘碳碳复合材料C/C复合材料轻质、耐高温、稳定性和可靠性高导弹、航天飞机头19(3)隔热、导热材料保温毡(隔热)碳碳复合材料(3)隔热、导热材料保温毡(隔热)碳碳复合材料20发热体(导热)电路基板(导热)笔记本电脑散热器（导热）碳碳复合材料发热体(导热)电路基板(导热)笔记本电脑散热器（导热）碳碳复21工业热处理炉工业热处理炉大型化工大型化工热结构耐蚀耐热支架支架雾化管管片喷嘴支架蝶架圆衬管叶轮反应塔反应塔换热器换热器发热体发热体(4)热结构材料碳碳复合材料工业热处理炉大型化工热结构耐蚀耐热支架雾化管管片喷嘴支架蝶架22坩埚轴承碳碳复合材料坩埚轴承碳碳复合材料23支架甲板搅拌架绞链碳碳复合材料支架甲板搅拌架绞链碳碳复合材料24尚有巨大的民用潜在需求(5)生物材料人工心脏瓣膜人工骨骼口腔修复材料碳碳复合材料尚有巨大的民用潜在需求(5)生物材料碳碳复合材料25四、碳四、碳/碳复合材料的制备碳复合材料的制备碳碳复合材料四、碳/碳复合材料的制备碳碳复合材料26碳碳/碳复合材料制备工艺中碳复合材料制备工艺中几个重要的环节：几个重要的环节：预成型体预成型体基体碳基体碳树脂（沥青）浸渍碳化工艺树脂（沥青）浸渍碳化工艺CVD/CVI工艺工艺碳碳复合材料碳/碳复合材料制备工艺中预成型体碳碳复合材料271、预成型体、预成型体 C/C复合材料制备的基本思路是将碳纤维作增强材料，复合材料制备的基本思路是将碳纤维作增强材料，预先制成多孔隙的预制体，然后再以碳基体填充孔隙，预先制成多孔隙的预制体，然后再以碳基体填充孔隙，逐渐制成逐渐制成C/C复合材料。复合材料。预制体（预制体（Preform，或预成型体）是采用编织方式成，或预成型体）是采用编织方式成2维、维、3维或多维，带维或多维，带3070孔隙的碳纤维层、板、体孔隙的碳纤维层、板、体等形状。也可以用浸渍树脂或沥青的碳纤维直接进行编等形状。也可以用浸渍树脂或沥青的碳纤维直接进行编织。有些是采用编织好的层状（织。有些是采用编织好的层状（2维）或碳毡迭层，并在维）或碳毡迭层，并在Z向进行穿刺制成碳纤维预制体。向进行穿刺制成碳纤维预制体。总之，总之，C/C复合材料的性能、形状取决于预制体的形复合材料的性能、形状取决于预制体的形状和碳纤维的分布方式。状和碳纤维的分布方式。碳碳复合材料1、预成型体C/C复合材料制备的基本思路是将碳纤28 各种编织方法制成的预制体各种编织方法制成的预制体碳碳复合材料各种编织方法制成的预制体碳碳复合材料29三维正交碳纤维增强的C/C及其显微结构 三维正交预制体三维正交预制体碳碳复合材料三维正交碳纤维增强的C/C及其显微结构三维正交预制体碳30 五维预制体五维预制体碳碳复合材料五维预制体碳碳复合材料31 飞机刹车盘预制体飞机刹车盘预制体碳碳复合材料飞机刹车盘预制体碳碳复合材料32 导弹、火箭鼻锥、喷管编织预制体导弹、火箭鼻锥、喷管编织预制体碳碳复合材料导弹、火箭鼻锥、喷管编织预制体碳碳复合材料33导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织车间导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织车间 导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织碳碳复合材料导弹、火箭鼻锥、喷管预制体编织车间导弹、火箭鼻锥、喷342、基体碳、基体碳基体碳分为：基体碳分为：树脂与沥青浸渍碳树脂与沥青浸渍碳和和沉积碳两种沉积碳两种碳碳复合材料2、基体碳基体碳分为：树脂与沥青浸渍碳和沉积碳两种碳碳复合材35碳碳复合材料碳碳复合材料36 树脂（沥青）碳均是由碳纤维预制体浸渍树脂或沥青浸树脂（沥青）碳均是由碳纤维预制体浸渍树脂或沥青浸渍剂后，经固化、再经碳化后所获得的基体碳。渍剂后，经固化、再经碳化后所获得的基体碳。C/C复合材复合材料浸渍剂的选择原则：料浸渍剂的选择原则：碳化率（焦化率）：希望碳化率高，提高效率；碳化率（焦化率）：希望碳化率高，提高效率；粘度：易于浸润碳纤维，并易于流入预制体孔隙；粘度：易于浸润碳纤维，并易于流入预制体孔隙；碳化后能否形成开孔形裂缝或孔隙；碳化后能否形成开孔形裂缝或孔隙；碳化后强度：碳化后收缩是否破坏预制体的结构；碳化后强度：碳化后收缩是否破坏预制体的结构；显微结构：是否有利于显微结构：是否有利于C/CC/C复合材料的性能复合材料的性能 价格：符合上述条件，价格越便宜越好。价格：符合上述条件，价格越便宜越好。树脂（沥青）浸渍树脂（沥青）浸渍-碳化对浸渍剂的要求碳化对浸渍剂的要求碳碳复合材料树脂（沥青）碳均是由碳纤维预制体浸渍树脂或沥青浸渍剂37 树脂与沥青特性碳碳复合材料树脂与沥青特性碳碳复合材料38 树脂与沥青碳化特性树脂与沥青碳化特性 酚醛及呋喃树脂碳化特性酚醛及呋喃树脂碳化特性 酚醛及呋喃树脂经高温热解后碳化，所形成的碳为无定形碳微晶结酚醛及呋喃树脂经高温热解后碳化，所形成的碳为无定形碳微晶结构、乱层结构）。构、乱层结构）。偏光下呈各向同性，无偏光效应。一般，树脂碳属硬碳或不易（难）偏光下呈各向同性，无偏光效应。一般，树脂碳属硬碳或不易（难）石墨化的碳。石墨化的碳。碳碳复合材料树脂与沥青碳化特性酚醛及呋喃树脂碳化特性碳碳复合材料39 沥青碳化特性沥青是由多种多环芳香烃碳氢化合物所组成。一般分为：热固性沥青烯（BS）：不溶于石油醚，但溶于苯和甲苯；树脂（BI）：不溶于苯和甲苯，但溶于喹啉或吡啶；树脂（QI）：不溶于喹啉或吡啶，高分子量芳香族化合物。沥青碳化率0.95QI0.95QI0.85(BI-QI)+(0.3-0.5)BS0.85(BI-QI)+(0.3-0.5)BS 因此，沥青的碳化率随高分子量芳香族化合物的含量增加而增加。最高的碳化率达9090，但与碳化时的压力有关。当碳化压力增强时，低分子量物质挥发气化，并在压力下热解得到固态沥青碳。树脂与沥青碳化特性树脂与沥青碳化特性碳碳复合材料沥青碳化特性树脂与沥青碳化特性碳碳复合材料40 沥青碳化特性沥青碳化特性碳碳复合材料沥青碳化特性碳碳复合材料41 沥青碳化特性沥青碳化特性沥青的压力碳化经历以下过程：沥青的压力碳化经历以下过程：(1)(1)低分子量物质的挥发气化、脱氢、缩合、裂化和分子低分子量物质的挥发气化、脱氢、缩合、裂化和分子的重排，并形成平面型芳环分子；的重排，并形成平面型芳环分子；(2)(2)各向同性的液态沥青在各向同性的液态沥青在400以上形成液晶中间相以上形成液晶中间相 （Mesophase）；）；(3)(3)中间相又畸变变形、聚集并固化成层状排列的分子结中间相又畸变变形、聚集并固化成层状排列的分子结构的碳；构的碳；(4)(4)这种层状排列的分子结构的碳，这种层状排列的分子结构的碳，在在20002500易形成各向异易形成各向异 性的碳（易石墨化）。性的碳（易石墨化）。碳碳复合材料沥青碳化特性沥青的压力碳化经历以下过程：碳碳复合材料42 沉积碳（CVDCVD碳）是含碳的烷、烯、炔类有机化合物前驱体，经热解后沉积在预制体碳纤维上的碳。在C/CC/C复合材料中采用CVDCVD/CVI/CVI工艺时，多采用的CVDCVD碳的前驱体多为甲烷、丙烷、乙烯、丙稀或乙炔，有的还采用天然气作前驱体。在液相气化CVDCVD（CLVDCLVD）则采用煤油等含碳前驱体。沉积碳沉积碳碳碳复合材料沉积碳（CVD碳）是含碳沉积碳碳碳复合材料43 沉积碳沉积碳 沉积碳是通过沉积碳是通过CVD/CVICVD/CVI将热解碳沉积在预制体碳纤维表将热解碳沉积在预制体碳纤维表面，并不断沉积增厚。面，并不断沉积增厚。CVD/CVICVD/CVI工艺原理可有以下过程：工艺原理可有以下过程：反应气体通过层流渗透进预制体孔隙（开孔），并沿着碳纤维反应气体通过层流渗透进预制体孔隙（开孔），并沿着碳纤维表面（沉积衬底）的边界层扩散；表面（沉积衬底）的边界层扩散；纤维表面吸附反应气体，反应气体在纤维表面吸附反应气体，反应气体在沉积衬底上发生热解反应，沉积衬底上发生热解反应，如甲烷，如甲烷，CH4CH4（g g）C(s)+2H2(g)C(s)+2H2(g)；反应生成的固态碳沉积在碳纤维表面（沉积衬底）上。反应生成的固态碳沉积在碳纤维表面（沉积衬底）上。所产生的所产生的气体气体H2H2在沉积衬底解吸附，并沿边界层区域向孔隙开在沉积衬底解吸附，并沿边界层区域向孔隙开口处扩散；口处扩散；所产生的反应生成的气体排出。所产生的反应生成的气体排出。碳碳复合材料沉积碳沉积碳是通过CVD/CVI将热解碳沉积44 沉积碳沉积碳 沉积碳在沉积过程中受温度和压力的影响。实际上热沉积碳在沉积过程中受温度和压力的影响。实际上热解碳的沉积过程是十分复杂的，目前还没有完全清楚碳原解碳的沉积过程是十分复杂的，目前还没有完全清楚碳原子是以什么方式在纤维表面以及以后在沉积碳表面沉积的。子是以什么方式在纤维表面以及以后在沉积碳表面沉积的。有关沉积碳的沉积原理，欢迎有兴趣的同学可以作为有关沉积碳的沉积原理，欢迎有兴趣的同学可以作为“小论文小论文”的研究课题题目，对文献进行阅读后写成的研究课题题目，对文献进行阅读后写成“小小论文论文”。碳碳复合材料沉积碳沉积碳在沉积过程中受温度和压力的影响。45碳碳复合材料碳碳复合材料46碳碳复合材料碳碳复合材料473、树脂（沥青）浸渍碳化工艺、树脂（沥青）浸渍碳化工艺碳碳复合材料3、树脂（沥青）浸渍碳化工艺碳碳复合材料48 树脂液态浸渍树脂液态浸渍-碳化工艺碳化工艺 以下以目前常采用的酚醛树脂作浸渍剂为例，介以下以目前常采用的酚醛树脂作浸渍剂为例，介绍树脂液态浸渍绍树脂液态浸渍-碳化工艺：碳化工艺：碳碳复合材料树脂液态浸渍-碳化工艺以下以目前常采用的酚醛49 树脂液态浸渍树脂液态浸渍-碳化工艺碳化工艺酚醛树脂是采用一步法制备的，属热固性树脂。其特点是长链，酚醛树脂是采用一步法制备的，属热固性树脂。其特点是长链，带有轻度交联，并能溶于溶剂；带有轻度交联，并能溶于溶剂；浸渍前，将酚醛树脂用有机溶剂稀释，降低其粘度，溶剂可在固浸渍前，将酚醛树脂用有机溶剂稀释，降低其粘度，溶剂可在固化、碳化过程中挥发；化、碳化过程中挥发；一般液态酚醛树脂浸渍入预制体孔隙中，需要预固化，使树脂交一般液态酚醛树脂浸渍入预制体孔隙中，需要预固化，使树脂交联充分，交联产生的水分在碳化前排出；联充分，交联产生的水分在碳化前排出；预固化的预制体置于碳化炉内，碳化温度约预固化的预制体置于碳化炉内，碳化温度约60060010001000，酚醛树，酚醛树脂的碳化率与压力无关，可在常压下碳化，碳化率脂的碳化率与压力无关，可在常压下碳化，碳化率50506060；树脂碳化后产生较大收缩；树脂碳化后产生较大收缩；一般浸渍碳化需经过一般浸渍碳化需经过5 56 6次，才能达到预制体致密的要求（次，才能达到预制体致密的要求（1.71.71.8g/cm31.8g/cm3）。）。碳碳复合材料树脂液态浸渍-碳化工艺酚醛树脂是采用一步法制备的，属热固50碳化过程的热处理温度对体积收缩影响浸渍-碳化循环次数对致密化影响 树脂液态浸渍树脂液态浸渍-碳化工艺碳化工艺碳碳复合材料碳化过程的热处理温度对体积收缩影响浸渍51 树脂液态浸渍树脂液态浸渍-碳化工艺碳化工艺收缩曲线反映了酚醛树脂碳化的体积收缩特点：收缩曲线反映了酚醛树脂碳化的体积收缩特点：在温度低于在温度低于500500时，主要是缩水，形成水蒸气逸出，体积收缩约时，主要是缩水，形成水蒸气逸出，体积收缩约4040；在在600600700700之间，树脂进一步热解出甲烷和之间，树脂进一步热解出甲烷和COCO，体积收缩到，体积收缩到5050；随后，随着温度的升高，树脂经历脱氢，体积收缩变化不大，趋于随后，随着温度的升高，树脂经历脱氢，体积收缩变化不大，趋于稳定；稳定；当温度高于当温度高于20002000（碳化后的热处理），树脂碳乱层结构中的网平（碳化后的热处理），树脂碳乱层结构中的网平面的排列紊乱程度有所减弱（趋向于向石墨结构方向），引起裂缝，面的排列紊乱程度有所减弱（趋向于向石墨结构方向），引起裂缝，体积略有增加。体积略有增加。树脂碳因树脂的化学结构的重排困难，难于石墨化，树脂碳因树脂的化学结构的重排困难，难于石墨化，主要是各向同性的树脂碳。主要是各向同性的树脂碳。碳碳复合材料树脂液态浸渍-碳化工艺收缩曲线反映了酚醛树脂碳化的体积收52循环浸渍碳化曲线反映了浸渍碳化工艺特点：循环浸渍碳化曲线反映了浸渍碳化工艺特点：在进行在进行13次浸渍碳化时，复合材料的密度增加较快，次浸渍碳化时，复合材料的密度增加较快，从预制体密度（约从预制体密度（约1.21.3g/cm3）增加到）增加到1.6g/cm3以上；以上；从第四次循环浸渍碳化开始，则每次复合材料的密度增从第四次循环浸渍碳化开始，则每次复合材料的密度增加相对较慢。加相对较慢。为了减少浸渍碳化次数，提高浸渍碳化效率和改善复为了减少浸渍碳化次数，提高浸渍碳化效率和改善复合材料的性能，一般采用真空压力浸渍工艺，形成了压合材料的性能，一般采用真空压力浸渍工艺，形成了压力浸渍碳化工艺（力浸渍碳化工艺（PIC,Pressure Impregnation Carbonization）。并且在沥青液态浸渍碳化工艺中得）。并且在沥青液态浸渍碳化工艺中得到应用。到应用。碳碳复合材料循环浸渍碳化曲线反映了浸渍碳化工艺特点：在进行13次浸53PIC工艺与在工艺与在1大气压下浸渍碳化工艺大气压下浸渍碳化工艺对复合材料密度影响对复合材料密度影响碳碳复合材料PIC工艺与在1大气压下浸渍碳化工艺对复合材料密度影响碳碳54 沥青液态浸渍沥青液态浸渍-碳化工艺碳化工艺 沥青液态浸渍碳化工艺与树脂有相似之处，但根据沥沥青液态浸渍碳化工艺与树脂有相似之处，但根据沥青的特性，也有不同之处。主要是沥青软化点低；熔化后青的特性，也有不同之处。主要是沥青软化点低；熔化后粘度低易浸渍；含有较多的低分子量芳香族分子可以在压粘度低易浸渍；含有较多的低分子量芳香族分子可以在压力下热解转化为碳；碳化后基体沥青碳易石墨化等。力下热解转化为碳；碳化后基体沥青碳易石墨化等。PICPIC工艺工艺 沥青液态压力浸渍碳化沥青液态压力浸渍碳化工艺是在工艺是在常压、常压、250250下先浸下先浸渍，然后在此温度下加压至渍，然后在此温度下加压至100MPa100MPa压力下继续浸渍，再压力下继续浸渍，再此压力下经此压力下经650650碳化。碳化。同样需经历多次同样需经历多次PICPIC工艺工艺使使/C/C复合材料致密化。复合材料致密化。碳碳复合材料沥青液态浸渍-碳化工艺沥青液态浸渍碳化工艺55 HIPICHIPIC工艺工艺 HIPIC工艺是热等静压浸工艺是热等静压浸渍碳化工艺（渍碳化工艺（Hot Isostatic Pressure Carbonization）,即即在等静压炉中进行在等静压炉中进行PIC工艺。工艺。这种工艺能够进一步减少这种工艺能够进一步减少浸渍碳化次数，获得高致浸渍碳化次数，获得高致密性、性能优良的沥青碳基密性、性能优良的沥青碳基体的体的C/C复合材料。复合材料。碳碳复合材料HIPIC工艺HIPIC工艺是热等静压浸渍碳56 HIPICHIPIC工艺工艺碳碳复合材料HIPIC工艺碳碳复合材料57 HIPICHIPIC工艺过程：工艺过程：将已经压力浸渍沥青的预制体放将已经压力浸渍沥青的预制体放入石墨罐，并以沥青填充；入石墨罐，并以沥青填充；将石墨罐密封，排气（真空），将石墨罐密封，排气（真空），放置放置HIPHIP炉的工作区；炉的工作区；按工艺规范加热，加压；按工艺规范加热，加压；低温低温(180)(180)时，填充沥青压入时，填充沥青压入预制体；预制体；高温和高温和HIPHIP下，沥青中挥发分进下，沥青中挥发分进行碳化，同时防止沥青流出预制行碳化，同时防止沥青流出预制体；体；HIPICHIPIC一次需一次需1 13 3天。天。碳碳复合材料HIPIC工艺过程：将已经压力浸渍沥青的预制体放入石墨罐584、CVD/CVI工艺工艺Processing of carbon/carbon composites by chemical vapor deposition(CVD)process碳碳复合材料4、CVD/CVI工艺Processingofcarbo59沥青、树脂浸渍-碳化与CVD裂解碳填充孔隙的区别4、CVD/CVI工艺工艺碳碳复合材料沥青、树脂浸渍-碳化与CVD裂解碳填充孔隙的区别4、CVD/60C/C复合材料复合材料CVD/CVI工艺的种类主要有：工艺的种类主要有：等温等温(Isothermal)法；法；压力梯度压力梯度(Pressure gradient)法；法；温度梯度温度梯度(Thrmal gradient)法；法；化学液气相沉积法（化学液气相沉积法（Chemical Liquid Vapour Deposition，CLVD）碳碳复合材料C/C复合材料CVD/CVI工艺的种类主要有：等温(Iso61 等温等温CVD法法 等温工艺也称为恒温法是等温工艺也称为恒温法是目前目前C/CC/C复合材料制备中最常复合材料制备中最常用的方法。等温法是指预制体在经用的方法。等温法是指预制体在经CVDCVD碳填充时，整个预碳填充时，整个预制体处于同一温度下。等温法突出特点是可以生产大型制体处于同一温度下。等温法突出特点是可以生产大型C/CC/C复合材料构件，并可同一炉生产多件。复合材料构件，并可同一炉生产多件。碳碳复合材料等温CVD法等温工艺也称为恒温法是目前C/C62两者的区别在于两者的区别在于CVDCVD炉内压力。炉内压力。真空等温法是首先将放置预制体的真空等温法是首先将放置预制体的CVDCVD炉抽真空（低炉抽真空（低真空），利用预制体处于真空状态，反应气体更易渗入真空），利用预制体处于真空状态，反应气体更易渗入扩散预制体的孔隙中。扩散预制体的孔隙中。而压力等温法，则而压力等温法，则CVDCVD炉预先不抽真空，而是利用反炉预先不抽真空，而是利用反应气体的压力使之渗入预制体孔隙中。应气体的压力使之渗入预制体孔隙中。等温法一般又分为：等温法一般又分为：真空等温法真空等温法 压力等温法。压力等温法。碳碳复合材料两者的区别在于CVD炉内压力。等温法一般又分为：碳碳复合材料63 真空等温法工艺过程：真空等温法工艺过程：反应气体如丙烷（反应气体如丙烷（C3H8）以）以H2、N2、He或或Ar气作载气，导入气作载气，导入CVD炉内，反应气体流量炉内，反应气体流量100-500 ml/min；炉内压力为炉内压力为1-150 Torr（mmHg柱），炉内柱），炉内(预制体预制体)温度约温度约950-1150；沉积速度约沉积速度约1-2.5m/h；一次一次CVD沉积时间：约沉积时间：约60-120小时小时移出炉外，进行石墨化处理，温度约移出炉外，进行石墨化处理，温度约2400-2800；沉积后预制体进行表面机械加工；沉积后预制体进行表面机械加工；放入放入CVD炉内进行第二次炉内进行第二次CVD沉积；沉积；反覆多次，直到反覆多次，直到C/C复合材料达到设计所需要的密度。复合材料达到设计所需要的密度。碳碳复合材料真空等温法工艺过程：反应气体如丙烷（C3H8）以H2、N264影响等温影响等温CVDCVD法沉积的工艺参量：法沉积的工艺参量：温度；温度；压力；压力；反应气体流量及浓度；反应气体流量及浓度；这些因素均影响预制体孔隙的封闭情况、沉积碳这些因素均影响预制体孔隙的封闭情况、沉积碳的结构，从而影响的结构，从而影响C/CC/C复合材料的性能。复合材料的性能。(a)温度影响温度影响(b)压力影响压力影响(c)流量影响流量影响碳碳复合材料影响等温CVD法沉积的工艺参量：温度；(a)温度影响(b65反应气体扩散速度及沉积速度对孔隙填充形状及孔隙口反应气体扩散速度及沉积速度对孔隙填充形状及孔隙口封闭程度的影响：封闭程度的影响：碳碳复合材料反应气体扩散速度及沉积速度对孔隙填充形状及孔隙口封闭程度的影66反应温度对反应温度对C/C复合材料力学性能的影响复合材料力学性能的影响碳碳复合材料反应温度对C/C复合材料力学性能的影响碳碳复合材料67 CVD/CVI其它工艺其它工艺 等温等温CVD工艺的最大缺点时沉积速度慢，工艺的最大缺点时沉积速度慢，C/C复合材复合材料达到设计的致密度往往需要经过反覆料达到设计的致密度往往需要经过反覆CVD出炉机出炉机加工等工序，需要加工等工序，需要10002000小时才能完成。而且由于小时才能完成。而且由于沉积速度慢，反应气体的利用率非常低，需回收分离。沉积速度慢，反应气体的利用率非常低，需回收分离。因此等温工艺造成因此等温工艺造成C/C复合材料的成本非常高。复合材料的成本非常高。为了提高为了提高CVD沉积速度，作为等温工艺的改进，提沉积速度，作为等温工艺的改进，提出了一下一些改进的工艺：出了一下一些改进的工艺：压力梯度压力梯度CVD工艺工艺温度梯度温度梯度CVD工艺，工艺，压力压力/温度梯度温度梯度CVD工艺工艺CLVD等工艺。等工艺。碳碳复合材料CVD/CVI其它工艺等温CVD工艺的最大缺点68压力梯度工艺：压力梯度工艺：压力梯度压力梯度CVD工艺是利用反应气工艺是利用反应气体通过预制体时的强制流动，预制体体通过预制体时的强制流动，预制体对流动气体产生阻力，在预制体上下、对流动气体产生阻力，在预制体上下、内外形成压力梯度。内外形成压力梯度。其工艺特点是：其工艺特点是：随着反应气体压力的增加，扩散速度及反应速度加随着反应气体压力的增加，扩散速度及反应速度加快，沉积速度加快。快，沉积速度加快。孔隙的开口端由于气体流动加快后，不易封闭，并孔隙的开口端由于气体流动加快后，不易封闭，并随着孔隙中沉积碳的不断沉积填充，预制体上下、内外随着孔隙中沉积碳的不断沉积填充，预制体上下、内外的压力梯度增大。的压力梯度增大。压力梯度增大，又进一步提高了反应、沉积速度。压力梯度增大，又进一步提高了反应、沉积速度。碳碳复合材料压力梯度工艺：压力梯度CVD工艺是利用反应气体通过预制体时的69压力梯度工艺的不足之处：压力梯度工艺的不足之处：虽然虽然压力梯度压力梯度CVDCVD工艺的沉积速度快，但工艺的沉积速度快，但由于由于需要在预制体的上下、需要在预制体的上下、内外形成压力差，因此会造成以下不足：内外形成压力差，因此会造成以下不足：预制体上下、内外的沉积速度控制困难，造成预制体上下、内外的沉积速度控制困难，造成C/CC/C复合材料内部密复合材料内部密度的不均匀度的不均匀；不同形状的预制体不能同一炉生产，一般为单件生产不同形状的预制体不能同一炉生产，一般为单件生产 （但环状（但环状飞机刹车盘可多件）；飞机刹车盘可多件）；与等温工艺相同，也会产生预制体外层孔隙的封闭，同样需要多与等温工艺相同，也会产生预制体外层孔隙的封闭，同样需要多次移出炉外进行机加工；次移出炉外进行机加工；CVDCVD炉需要能承受高温、高压下的密封等。炉需要能承受高温、高压下的密封等。因此，压力梯度工艺虽沉积速度比等温工艺快，但应用没有等温因此，压力梯度工艺虽沉积速度比等温工艺快，但应用没有等温工艺广泛，多用于大型单件工艺广泛，多用于大型单件C/CC/C制备。制备。碳碳复合材料压力梯度工艺的不足之处：虽然压力梯度CVD工艺的70温度梯度工艺：温度梯度工艺：温度梯度（热梯度）温度梯度（热梯度）工艺工艺是利用预制体内发热体形成是利用预制体内发热体形成预制体内外温度梯度（一般是内侧温度高于外侧），造成预制体内外温度梯度（一般是内侧温度高于外侧），造成反应气体在内、外侧的扩散及沉积速度不同，从而避免了反应气体在内、外侧的扩散及沉积速度不同，从而避免了预制体外层表面的结壳，而内侧则提高沉积速度。预制体外层表面的结壳，而内侧则提高沉积速度。其工艺特点是：其工艺特点是：CVD炉加热需采用感应加热方式；炉加热需采用感应加热方式；预制体多为空心筒体和锥体，内侧有预制体多为空心筒体和锥体，内侧有石墨模具（作发热体）；石墨模具（作发热体）；预制体需采用导热性较低的纤维；预制体需采用导热性较低的纤维；沉积碳沉积由预制体内到外逐渐填充，沉积碳沉积由预制体内到外逐渐填充，首先是靠近发热体内侧沉积；首先是靠近发热体内侧沉积；通过反应气体流量及压力控制，形成通过反应气体流量及压力控制，形成预制体内外较大温差（预制体内外较大温差（500）。）。碳碳复合材料温度梯度工艺：温度梯度（热梯度）工艺是利用预制体71温度梯度工艺的致密化过程：温度梯度工艺的致密化过程：在温度梯度在温度梯度CVI炉中，原料气体从预制件的较低温度炉中，原料气体从预制件的较低温度一侧一侧(冷区域冷区域)流过，靠扩散作用到达较高温度一侧热区域流过，靠扩散作用到达较高温度一侧热区域)发生反应，并沉积。发生反应，并沉积。由于反应速度通常随温度升呈指数增加，气体在到由于反应速度通常随温度升呈指数增加，气体在到达热区域之前，几乎不发生沉积或只发生轻微沉积。达热区域之前，几乎不发生沉积或只发生轻微沉积。随着沉积的进行，热区域附近孔隙逐渐被填满或封随着沉积的进行，热区域附近孔隙逐渐被填满或封闭，气孔率降低，形成比较致密的沉积带，致密部分由闭，气孔率降低，形成比较致密的沉积带，致密部分由于热导率的提高使得沉积带外围温度逐渐升高，当它们于热导率的提高使得沉积带外围温度逐渐升高，当它们达到沉积温度时，沉积过程就得以持续进行。达到沉积温度时，沉积过程就得以持续进行。以这种方式从热区域逐渐向冷区域表面推进。以这种方式从热区域逐渐向冷区域表面推进。碳碳复合材料温度梯度工艺的致密化过程：在温度梯度CVI炉中，原72温度梯度温度梯度CVD工艺优点：工艺优点：沉积速度比等温工艺快一倍；沉积速度比等温工艺快一倍；并可以在常压下进行；并可以在常压下进行；沉积的前期预制体外表面不易结壳，中后期开始结壳，但总的可减沉积的前期预制体外表面不易结壳，中后期开始结壳，但总的可减少出炉、机加工次数，提高了沉积效率；少出炉、机加工次数，提高了沉积效率；与压力梯度工艺相比，减少设备投资。与压力梯度工艺相比，减少设备投资。温度梯度工艺的不足：温度梯度工艺的不足：不同形状的预制体不能同一炉生产一般为单件生产（但飞机刹车盘不同形状的预制体不能同一炉生产一般为单件生产（但飞机刹车盘可多件）可多件）材料内部密度的不均匀控制较难；材料内部密度的不均匀控制较难；预制体上下较大温差及反应气体流动预制体上下较大温差及反应气体流动速度控制困难等。速度控制困难等。因此，中南大学因此，中南大学采用的是采用的是“逆定向流径向热梯度逆定向流径向热梯度CVI”制备技术解决。制备技术解决。碳碳复合材料温度梯度CVD工艺优点：温度梯度工艺的不足：碳碳复合材料73不同制备工艺对不同制备工艺对C/C复合材料性能影响复合材料性能影响碳碳复合材料不同制备工艺对C/C复合材料性能影响碳碳复合材料74化学液气相沉积法（化学液气相沉积法（CLVDCLVD）：）：CLVD工艺是工艺是20世纪世纪80年代中首先由法国发明年代中首先由法国发明的，开拓了制备的，开拓了制备CC复合材料的新思路复合材料的新思路，并迅，并迅速得到重视。速得到重视。CLVD是预制体浸泡在液态前驱体中，通过加是预制体浸泡在液态前驱体中，通过加热，使预制体孔隙中的液态前驱体气化、裂解沉热，使预制体孔隙中的液态前驱体气化、裂解沉积，而不是直接由气相扩散渗透后裂解沉积。积，而不是直接由气相扩散渗透后裂解沉积。CLVD工艺致密化的过程实际上是气工艺致密化的过程实际上是气固表面固表面的多相化学反应，是一种特殊形式的的多相化学反应，是一种特殊形式的CVD工艺。工艺。传统传统CVD工艺中主要是扩散传质，而工艺中主要是扩散传质，而CLVD工工艺中先驱体的传输主要为流动传输，因此具有很艺中先驱体的传输主要为流动传输，因此具有很高热解炭沉积速率。高热解炭沉积速率。碳碳复合材料化学液气相沉积法（CLVD）：CLVD工艺是2075CLVD的致密化过程的致密化过程：将预制体浸渍于液态烃先驱体中将预制体浸渍于液态烃先驱体中(如环己烷、煤油等如环己烷、煤油等)；将整个系统加热至液态烃先驱体沸点，液态烃沸腾、将整个系统加热至液态烃先驱体沸点，液态烃沸腾、气化热损失使预制件外表面一侧温度下降而与发热体气化热损失使预制件外表面一侧温度下降而与发热体接触的内表面仍保持高温；接触的内表面仍保持高温；在预制体内部产生较大的温度梯度，在预制体内部产生较大的温度梯度，当加热到一定的温度后，预制体内侧高温区烃就会发当加热到一定的温度后，预制体内侧高温区烃就会发生裂解反应沉积出热解炭；生裂解反应沉积出热解炭；随着反应的进行，致密化前沿从预制件内侧逐渐向外随着反应的进行，致密化前沿从预制件内侧逐渐向外推移，最后完成预制件的致密化。推移，最后完成预制件的致密化。碳碳复合材料CLVD的致密化过程：将预制体浸渍于液态烃先驱体中(如环76CLVD快速致密化的原因：快速致密化的原因：致密化期间预制体内部存在相当大的热梯度，致密化前沿温度高、致密化期间预制体内部存在相当大的热梯度，致密化前沿温度高、气体浓度高，不象通常气体浓度高，不象通常CVD/CVICVD/CVI那样保持低温低压而导致致密化速那样保持低温低压而导致致密化速率非常缓慢；率非常缓慢；致密化期间预制体始终浸泡在液态烃中，相当于缩短了反应物渗致密化期间预制体始终浸泡在液态烃中，相当于缩短了反应物渗透、扩散的路径；透、扩散的路径；预制体内部温度梯度引起的反应物浓度梯度以及液态烃剧烈沸腾预制体内部温度梯度引起的反应物浓度梯度以及液态烃剧烈沸腾形成液态及气态反应物的循环对流均促使反应物气体向致密化前形成液态及气态反应物的循环对流均促使反应物气体向致密化前沿快速流动、渗透、扩散，消除了扩散传输的限制，使得致密化沿快速流动、渗透、扩散，消除了扩散传输的限制，使得致密化过程受控于化学反应动力学，从而大幅度提高了致密化速率。过程受控于化学反应动力学，从而大幅度提高了致密化速率。碳碳复合材料CLVD快速致密化的原因：致密化期间预制体内部存在相当大77前驱体液态烃的选择原则：前驱体液态烃的选择原则：含碳量高、不含或少含杂原子，纯度较高；含碳量高、不含或少含杂原子，纯度较高；沸点适中。沸点太低，不宜于水冷却，液态烃挥发消耗量大；沸点适中。沸点太低，不宜于水冷却，液态烃挥发消耗量大；沸点过高则分子长时问处于较高温度下容易分解或聚合变质；沸点过高则分子长时问处于较高温度下容易分解或聚合变质；较低热解温度，物质结构中含有活性集团；较低热解温度，物质结构中含有活性集团；高残碳率、成本低、无毒或毒性小。高残碳率、成本低、无毒或毒性小。考虑到大量异构体存在，前驱体的碳原子数以考虑到大量异构体存在，前驱体的碳原子数以68个为好，如环个为好，如环己烷。另外，汽油己烷。另外，汽油(90)、煤油、煤油(航煤航煤3)、柴油、柴油(0)3种燃油低分子种燃油低分子烃混合物，成分复杂，沸点偏高些，但价格便宜，来源广泛，常用烃混合物，成分复杂，沸点偏高些，但价格便宜，来源广泛，常用作作CLVD液态前驱体。液态前驱体。碳碳复合材料前驱体液态烃的选择原则：含碳量高、不含或少含杂78CLVD加热方式：加热方式：CLVD加热方式主要有两种：加热方式主要有两种：电阻式加热电阻式加热和和感应式加热感应式加热电阻式加热；电阻式加热；电阻式加热（直热法），即对预制体直接通电加热。电阻式加热（直热法），即对预制体直接通电加热。这种加热方式的特点：效率高、速度快，可以直接对工件进行加这种加热方式的特点：效率高、速度快，可以直接对工件进行加热，达到形成温度梯度的目的。热，达到形成温度梯度的目的。在反应过程中，电极和预制体始终浸泡在液态烃中，因此要求在反应过程中，电极和预制体始终浸泡在液态烃中，因此要求前驱体的导电性差，一般要求其介电常数大于前驱体的导电性差，一般要求其介电常数大于1.51.5。由于对前驱体要求较高，因而使用范围受到一定限制。由于对前驱体要求较高，因而使用范围受到一定限制。感应式加热感应式加热 感应式加热是通过电磁感应方式加热，因此首先受热的是预制感应式加热是通过电磁感应方式加热，因此首先受热的是预制体内部，热量由内向外传递，形成温度梯度。体内部，热量由内向外传递，形成温度梯度。该法特点是，对前驱体没有任何导电性要求，安全性也大大提高，该法特点是，对前驱体没有任何导电性要求，安全性也大大提高，但发热效率和升温速度要差一些。但发热效率和升温速度要差一些。碳碳复合材料CLVD加热方式：CLVD加热方式主要有两种：电阻式加热和感79 CLVD工艺无论采用何种加热方式，控制整个升温工艺无论采用何种加热方式，控制整个升温过程至关重要。如果升温速度太快，预制体内形成的过程至关重要。如果升温速度太快，预制体内形成的温度梯度很大，会使工件外部的密度较小；相反，如温度梯度很大，会使工件外部的密度较小；相反，如果温度梯度不足够大，则沉积可能同时在表面进。阻果温度梯度不足够大，则沉积可能同时在表面进。阻碍了汽化的前驱体向工件内部的充分渗透，这样预制碍了汽化的前驱体向工件内部的充分渗透，这样预制体内部的致密化程度较低。体内部的致密化程度较低。碳碳复合材料CLVD工艺无论采用何种加热方式，控制整个升温过80 与传统与传统CVI工艺相比，工艺相比，CLVI工艺最大优点是沉积速度快，致密时间工艺最大优点是沉积速度快，致密时间短，且一步成型（据报道，一次经短，且一步成型（据报道，一次经8小时沉积，小时沉积，C/C复合材料密度可复合材料密度可达达1.8g/cm3）；）；纤维束内、束间的热解碳填充得较为均匀，残留空隙较小，其组织纤维束内、束间的热解碳填充得较为均匀，残留空隙较小，其组织主要为粗糙层热解碳；主要为粗糙层热解碳；与传统与传统CVI工艺相比，工艺相比，CLVI工艺及设备不复杂；工艺及设备不复杂；前驱体价格便宜，易得；前驱体价格便宜，易得；未裂解反应的液态前驱体，气化后通过冷凝可以回收使用，或废气未裂解反应的液态前驱体，气化后通过冷凝可以回收使用，或废气直接燃烧利用。直接燃烧利用。CLVD法优点：法优点：据报道，美、法等国采用该工艺生产的炭炭刹车片效率提高据报道，美、法等国采用该工艺生产的炭炭刹车片效率提高100倍以上，是目前倍以上，是目前C/C复合材料致密化工艺效率最高，成本最低的一种。复合材料致密化工艺效率最高，成本最低的一种。碳碳复合材料与传统CVI工艺相比，CLVI工艺最大优点是沉积速度快，81CLVD法缺点：法缺点：制备多个预制件时存在制备多个预制件时存在“气封气封”效应，即如果炉壁与预制件相隔太效应，即如果炉壁与预制件相隔太近或预制件之间相互靠的太近，反应产生的蒸气就可能聚集排开液近或预制件之间相互靠的太近，反应产生的蒸气就可能聚集排开液体，大大减小预制件的热量传递，使某些区域温度过高，最终导致体，大大减小预制件的热量传递，使某些区域温度过高，最终导致制件的密度不均匀。制件的密度不均匀。形状与尺寸相差较大的预制件需要不同结构的电流感应线圈和加热形状与尺寸相差较大的预制件需要不同结构的电流感应线圈和加热装置。装置。需要把预制件完全浸入先驱体液体中，因此当感应加热装置发热体需要把预制件完全浸入先驱体液体中，因此当感应加热装置发热体维持在维持在90090013001300时，先驱体可燃性或有毒时，就存在一定的安全时，先驱体可燃性或有毒时，就存在一定的安全隐患性。隐患性。预制件外表面的密度较低，且要求预制件半径较大才可产生有效的预制件外表面的密度较低，且要求预制件半径较大才可产生有效的热梯度，热梯度，无论感应或电加热均必须有较大的电功率设备。无论感应或电加热均必须有较大的电功率设备。直至目前，直至目前，CLVD法还在试验研究、完善中，法还在试验研究、完善中，C/C复合材料飞机刹车复合材料飞机刹车盘的生产多采用盘的生产多采用CVD与液态浸渍碳化相结合的方式。与液态浸渍碳化相结合的方式。碳碳复合材料CLVD法缺点：制备多个预制件时存在“气封”效应，即如果82五、碳五、碳/碳复合材料的界面及组织碳复合材料的界面及组织碳碳复合材料五、碳/碳复合材料的界面及组织碳碳复合材料831、C/C复合材料的界面复合材料的界面 C/C复合材料是由碳纤维和基体碳（树脂碳、沥青碳、复合材料是由碳纤维和基体碳（树脂碳、沥青碳、CVD碳）组成的。因此碳）组成的。因此C/C复合材料的界面有：复合材料的界面有：碳纤维与碳纤维与CVD碳界面；碳界面；碳纤维与树脂碳界面；碳纤维与树脂碳界面；碳纤维与沥青碳界面；碳纤维与沥青碳界面；树脂碳与沥青碳界面；树脂碳与沥青碳界面；树脂碳（或沥青碳）与树脂碳（或沥青碳）与CVD碳界面。碳界面。碳碳复合材料1、C/C复合材料的界面C/C复合材料是由碳纤维84 碳纤维与碳纤维与CVD碳界面碳界面 碳纤维与碳纤维与CVD碳的界面称为钉扎结构。碳的界面称为钉扎结构。CVD碳沉积时，碳纤维表面的空洞和缺陷被碳沉积时，碳纤维表面的空洞和缺陷被CVD碳所碳所填充，填充，CVD碳所形成的微晶条带镶嵌在碳纤维空洞和缺碳所形成的微晶条带镶嵌在碳纤维空洞和缺陷里，成为这种钉扎结构。陷里，成为这种钉扎结构。碳碳复合材料碳纤维与CVD碳界面碳纤维与CVD碳的界面称85 根据沿碳纤维轴向方向，各种基体碳与碳纤维的界面结根据沿碳纤维轴向方向，各种基体碳与碳纤维的界面结合可以形成以下四种基本方式：合可以形成以下四种基本方式：切点生长位向；切点生长位向；垂直生长位向；垂直生长位向；平行生长位向；平行生长位向；各向同性生长。各向同性生长。第一种切点生长位向，在第一种切点生长位向，在C/C复合材料组织中基本未发现。复合材料组织中基本未发现。碳碳复合材料根据沿碳纤维轴向方向，各种基体碳与碳纤维的界面结86碳纤维与沥青碳界面碳纤维与沥青碳界面 碳纤维与沥青碳之间界面上，沥青碳片层与碳纤维碳纤维与沥青碳之间界面上，沥青碳片层与碳纤维轴向结合的位向有两种：轴向结合的位向有两种：TOG结构结构和和POG结构。结构。碳碳复合材料碳纤维与沥青碳界面碳纤维与沥青碳之间界面上，沥87 当预先沉积了当预先沉积了0.1-1m厚的厚的CVD碳，则碳，则CVD碳与沥青碳碳与沥青碳界面存在一过渡区，称之为界面存在一过渡区，称之为“诱导结构诱导结构”，而沥青碳片层，而沥青碳片层垂直于碳纤维轴向称之为垂直于碳纤维轴向称之为TOG结构结构TOG结构（结构（Transversely Oriented Graphite）。）。碳碳复合材料当预先沉积了0.1-1m厚的CVD碳，则CVD88碳纤维碳纤维/CVD碳碳/沥青碳界面的沥青碳界面的TOG结构模型：结构模型：a：碳纤维；：碳纤维；b：CVD碳；碳；c：沥青碳；：沥青碳；d：诱导结构区；：诱导结构区；e：钉扎结构区；：钉扎结构区；碳碳复合材料碳纤维/CVD碳/沥青碳界面的TOG结构模型：碳碳复合材料89 当未预先沉积当未预先沉积CVD碳，则沥青碳片层平行于碳纤维轴碳，则沥青碳片层平行于碳纤维轴向，称之为向，称之为POG结构。结构。POG结构（结构（Parallelly Oriented Graphite）碳碳复合材料当未预先沉积CVD碳，则沥青碳片层平行于碳纤维轴90碳纤维与树脂碳界面碳纤维与树脂碳界面树脂碳与碳纤维界面属各向同性结构。树脂碳与碳纤维界面属各向同性结构。碳碳复合材料碳纤维与树脂碳界面树脂碳与碳纤维界面属各向同性结构。碳碳复912、C/C复合材料的组织复合材料的组织本节主要介绍本节主要介绍C/CC/C复合材料复合材料石墨化石墨化石墨结构石墨结构 理想的石墨结构是原子呈六角形排理想的石墨结构是原子呈六角形排列，并向三维方向无限延伸，成为周期列，并向三维方向无限延伸，成为周期性点阵。碳原子六角网平面相互错开六性点阵。碳原子六角网平面相互错开六角形对角线的一半，而迭合成角形对角线的一半，而迭合成ABAB序列。序列。从从A层到邻近的下一个层到邻近的下一个A层是石墨晶层是石墨晶胞胞c轴尺寸为轴尺寸为0.6708nm,相邻相邻AB网平面之网平面之间间距为间间距为0.3354nm。一般称之为石墨网。一般称之为石墨网平面的间距标记为平面的间距标记为d002。或者说。或者说X-衍射衍射所得到的理想石墨的衍射峰的所得到的理想石墨的衍射峰的d002间距间距为为0.3354nm。碳碳复合材料2、C/C复合材料的组织本节主要介绍C/C复合材料石墨化石92 碳材料，包括碳黑、木炭、活性炭、人造石墨，碳纤维等，即使碳材料，包括碳黑、木炭、活性炭、人造石墨，碳纤维等，即使经经3000高温处理其结构远非是理想石墨结构。一般将碳黑、活性炭高温处理其结构远非是理想石墨结构。一般将碳黑、活性炭等称为无定形碳，而人造石墨等为结晶碳。等称为无定形碳，而人造石墨等为结晶碳。所谓无定形碳，实际上也是由许多所谓无定形碳，实际上也是由许多2-6层石墨六角网平面（微晶）层石墨六角网平面（微晶）所组成。但层间距较大，所组成。但层间距较大，0.345-0.370nm。在无定形碳与石墨之间，。在无定形碳与石墨之间，存在大量过渡态碳，属无定形碳向石墨过渡的中间产物，其结构称之存在大量过渡态碳，属无定形碳向石墨过渡的中间产物，其结构称之为为“乱层结构（乱层结构（Turbostratic structure）”。碳材料结构碳材料结构碳碳复合材料碳材料，包括碳黑、木炭、活性炭、人造石墨，碳纤维93 根据碳石墨化的难易程度，一般将碳分成容易石墨化根据碳石墨化的难易程度，一般将碳分成容易石墨化的的易石墨化碳易石墨化碳和不容易石墨化的和不容易石墨化的难石墨化碳难石墨化碳。易石墨化碳有石油焦、煤沥青焦、聚氯乙烯（易石墨化碳有石油焦、煤沥青焦